Multimodale Modellierung intravaskulärer Hämodynamik am Beispiel zerebraler Aneurysmen

Abstract

Durch die sich kontinuierlich verändernde gesellschaftliche Struktur und die damit verbundene erhöhte Lebenserwartung treten zunehmend Volkskrankheiten auf, die mit schwerwiegenden Folgen für die betroffenen Personen einhergehen. Neben onkologischen Erkrankungen können hauptsächlich Gefäßpathologien lebensbedrohliche Verläufe verursachen, wobei exemplarisch der Schlaganfall genannt werden kann. Dem gegenüber steht eine rasante Entwicklung in der Medizintechnik, die bereits aus natur- und ingenieurwissenschaftlich gewonnene Forschungserkenntnisse auf klinisch relevante Thematiken überträgt. Exemplarisch sind hierbei Aussackungen der zerebralen Gefäße - sogenannte intrakranielle Aneurysmen - zu erwähnen, die sich durch einen komplexen Krankheitsverlauf in Kombination mit hochindividualisierten Therapieverfahren auszeichnen. Für die Bewertung und Behandlungsoptimierung dieser Pathologien kommen zunehmend numerische Verfahren zum Einsatz, es zeigt sich allerdings, dass deren klinische Akzeptanz aufgrund von zahlreichen modellbedingten Annahmen in der Mehrheit eingeschränkt ist. Um der existierenden Situation entgegenzuwirken, werden im Rahmen dieser Habilitationsschrift Methoden der numerischen Strömungsmechanik zur Beschreibung der patientenspezifischen Aneurysmahämodynamik bewertet und auf klinische Fragestellungen angewendet. Konkret erfolgt zunächst eine Fokussierung auf die Verifizierung und Validierung der zugrundeliegenden Ansätze, wobei hier die essentiellen Arbeitsschritte bei der Durchführung der computergestützten Flusssimulation adressiert werden. Weiterhin erfolgen qualitative und quantitative Vergleiche zwischen den akquirierten Simulationsergebnissen und vielfältigen in-vitro Messungen. Nach Sicherstellung einer reliablen Nutzbarkeit der numerischen Verfahren werden zwei Forschungsschwerpunkte betrachtet. Zum einen erfolgt die Beurteilung des individuellen Aneurysmarupturrisikos basierend auf multimodalen Evaluierungstechniken und zum anderen werden mithilfe von virtuellen endovaskulären Methoden Therapiekomplikationen untersucht, um deren Häufigkeit bei zukünftigen Interventionen zu minimieren. Die durchgeführten Studien zeigen auf, dass bereits die Wahl des Rekonstruktionskernels für 3D rotationsangiographische Bilddaten einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Segmentierung und Blutflusssimulation besitzt. Weiterhin existiert eine Vielfalt an Segmentierungsverfahren, die qualitativ zwar in der Lage sind, komplexe intrakraniellen Gefäßmodelle zu erstellen, allerdings eine Unterrepräsentation kleiner Gefäßverzweigungen und eine häufige Überschätzung des realen Gefäßlumens vorherrscht. Die Auswirkungen der Schwankungen in der Segmentierung auf die hämodynamischen Simulationen betonen die Notwendigkeit einer sorgfältigen Modellerstellung. Der Vergleich rupturierter und unrupturierter Aneurysmen konnte signifikante Unterschiede bei relevanten morphologischen und hämodynamischen Parametern identifizieren. Außerdem zeigte eine internationale Rupturvorhersagestudie auf, dass erfolgreiche Bestimmungen des Rupturstatus intrakranieller Aneurysmen auf multiparametrischen Modellen basierten. Für die Bewertung der Gefäßwand selbst, ist die Berücksichtigung patientenspezifischer Wanddicken obligatorisch. Die Durchführung von Fluid-Struktur-Interaktion-Simulationen wies in diesem Zusammenhang erhöhteWandspannungen im Bereich der tatsächlichen Aneurysmarupturstelle auf. Bezüglich der endovaskulären Therapie offenbarte die Endothelialisierungstudie, dass insbesondere bei der Überdeckung von Seitengefäßen durch einen Stent auf eine ausreichende Durchströmungsfläche geachtet werden sollte, um einen Gefäßverschluss zu vermeiden. Mithilfe der virtuellen Reproduktion zweier minimalinvasiver Aneurysmabehandlungen konnte weiterhin evaluiert werden, weshalb scheinbar identische Therapiestrategien bei gleicher Aneurysmalokalisation und Stentauswahl zu unterschiedlichen Resultaten führen können. Abschließend wurden Stentinduzierte Gefäßwanddeformationen betrachtet, die bei minimalinvasiven Aneurysmabehandlungen auftreten können, wobei sich primär auf die negativen Effekte bezüglich der hämodynamischen Situation fokussiert wurde. Zusammenfassend gelingt es in der vorliegenden Arbeit, wichtige Fragestellungen im Zusammenhang mit der patientenspeifischen Blutflussmodellierung intrakranieller Aneurysmen zu adressieren. Hierbei wird insbesondere der Einfluss einzelner interdisziplinärer Arbeitsschritte in den Vordergrund gestellt, um daran anknüpfend auf relevante klinische Problematiken eingehen zu können.

Due to the continuously changing society, which is associated with an increased life expectancy, severe diseases occur having serious consequences for the people concerned. In addition to oncological diseases, it is mainly vascular pathologies such as stroke that can cause life-threatening courses. Fortunately, there is a rapid development in medical engineering, which is based on research knowledge from natural and engineering sciences and enables a sufficient translation to clinically relevant topics. One example for this interdisciplinary research are intracranial aneurysms, which are local dilatations of the cerebral vessels. They are characterized by a complex and very specific progression in combination with highly individualized therapy procedures. To gain the required knowledge with respect to intracranial aneurysm hemodynamics, numerical methods are increasingly used for evaluation and treatment optimization. However, it has been shown that their broad clinical acceptance is limited due to numerous model-based assumptions. In order to overcome the existing situation, the related principles of computational fluid dynamics are evaluated within this habilitation thesis. Specifically, the patient-specific aneurysm hemodynamics are critically assessed and evaluated with respect to the clinical questions. Therefore, there is a primary focus on the verification and validation of the underlying approaches, whereby the essential working steps involved in computer-assisted flow simulations are addressed. Furthermore, qualitative and quantitative comparisons between the image-based simulation results and several in-vitro measurements are carried out. After ensuring a reliable usability of the numerical methods, two clinically relevant research areas are addressed. On the one hand, the individual aneurysm rupture risk is assessed based on multimodal evaluation techniques, and on the other hand, therapy complications observed in reality are examined using virtual endovascular methods in order to minimize their occurrence in future interventions. The study, which was carried out in close collaboration with the local neuroradiology, demonstrates that the choice of the reconstruction kernel has a considerable influence on the quality of the segmentation and blood flow simulation, respectively. Furthermore, there is a variety of segmentation techniques that are capable of creating complex intracranial vascular models based on 3D rotational angiographic image data. However, in many cases an underrepresentation of small vascular branches and a frequent overestimation of the real vascular lumen are present. Hence, this variability in the segmentation and the corresponding impact on hemodynamic simulations emphasizes the need for an extremely careful modeling. After this technical verification and validation, a comparison of ruptured and unruptured aneurysms identified significant differences in relevant morphological as well as hemodynamic parameters. Additionally, an international rupture prediction study revealed that successful determinations of the rupture status of intracranial aneurysms were based on multiparametric models including geometry, flow and clinical information. Finally, for a profound assessment of the vascular wall, the consideration of patient-specific wall thicknesses is mandatory. In this regard, the implementation of fluid-structure-interaction simulations showed increased wall stresses in the region of the actual aneurysm rupture site. To account for endovascular therapy complications, an endothelialization study revealed that a careful stent selection is needed especially when side branches are covered. This ensures a sufficient patency of the small vessels and avoids vascular occlusion. Furthermore, the virtual reproduction of two minimally invasive aneurysm treatments enabled the evaluation of apparently identical therapy strategies. Although identical aneurysm locations and stent selections were present, clearly varying hemodynamic results can develop. Finally, stent-induced vessel wall deformations that could occur during minimally invasive aneurysm treatment were considered, focusing primarily on the negative effects with regard to the hemodynamic situation. In summary, the present work succeeds in addressing important questions with respect to patient-specific blood flow modeling of intracranial aneurysms. Therefore, the influence and importance of individual interdisciplinary steps are emphasized, before reliable and profound studies for relevant clinical problems can be carried out.